关键词：聚乙烯醇（PVA），甘油保湿剂，氧化静电纺聚乳酸（PLA）纤维，聚乳酸，N,N-二甲基甲酰胺

A symbiotic skin hydrogel interface enabled by flexible hydrogel network with embedded enhancement structure

Nature Communications，Published: 10 July 2026

一、研究背景

基于水凝胶电极的可穿戴电生理监测设备可实时采集脑电、心电、肌电信号，在健康预警、疲劳评估领域具备重要应用价值，但现有水凝胶电极存在两大关键缺陷：

1.界面力学-电学稳定性差：普通纯PVA水凝胶保水能力弱，在低湿度环境中会快速脱水，导致界面阻抗急剧升高；且水凝胶模量与皮肤不匹配，发生形变或人体出汗后，电极与皮肤容易脱粘，信号信噪比快速衰减；

2.透气性不足：致密水凝胶薄膜会阻断汗液蒸发，汗液堆积容易引发皮肤闷湿、过敏，无法支持数十天的连续佩戴监测。

针对上述痛点，本研究构建了氧化静电纺PLA三维多孔骨架内嵌氯化钠掺杂PVA导电水凝胶的复合体系（BCHN），依靠多孔纤维骨架构筑多级离子传输通道与水分子吸附位点，实现汗液捕捉-渗透-蒸发的动态平衡，形成与皮肤透气特性匹配的共生传感界面，可满足超30天长时程的高精度生理信号采集。

二、内嵌增强透气导电水凝胶网络（BCHN）制备工艺

1.氧化静电纺PLA多孔纤维骨架制备

通过聚乳酸PLA静电纺丝构筑三维贯通多孔纤维膜，经氧化处理后，纤维表面引入大量羧基，可提升其与PVA水凝胶的界面结合力；纤维内部的中空多孔结构则可提供汗液输运通道与水汽扩散通路。

2.甘油-氯化钠掺杂PVA导电水凝胶前驱体制备

以聚乙烯醇PVA为基体，甘油作为保湿增塑剂，NaCl提供游离离子构筑导电通路；体系内大量羟基形成多重氢键，赋予水凝胶柔性与水分子吸附能力。

3.内嵌复合成型BCHN透气导电网络

将PVA水凝胶前驱体浸润填充至氧化PLA多孔骨架内部，经冷冻-解冻诱导PVA结晶交联，得到纤维骨架内嵌增强的复合水凝胶BCHN；多孔纤维作为力学增强相，同时构筑贯穿材料的水汽、离子双传输通道。

三、皮肤共生型传感界面作用机制

1.多级孔道协同透气保湿机制

氧化PLA三维贯通孔隙的透气通量达1.85 kg・m⁻²・day⁻¹，约为人体皮肤排汗速率的3倍；水凝胶内的羟基、甘油、离子位点可动态吸附、释放水分子，实现汗液捕捉、渗透、蒸发的动态平衡；即便在20%低湿度环境下仍能维持稳定水合状态，界面阻抗可稳定维持在55 Ω。

2.超低模量保形共生界面

BCHN的弯曲模量低至～10⁻¹⁰ N・m²，力学性能与人体表皮匹配，可无缝贴合皮肤微观褶皱；佩戴过程中可跟随皮肤同步形变，不会产生界面分层、气泡，能够持续维持稳定的皮肤-电极接触。

3.长时程稳定电信号传导

NaCl在PVA基质内形成连续离子传输通路，多孔骨架保障离子迁移不受脱水限制；集成至可穿戴设备后，脑电、心电、肌电信号的信噪比SNR＞25 dB，可连续稳定采集30天以上，能够应用于驾驶员疲劳的定量评估与早期预警。

四、研究核心创新点

1.提出内嵌多孔纤维增强透气导电水凝胶新架构：以氧化静电纺PLA三维多孔骨架作为内嵌增强相，同步实现力学柔性、水汽传输、离子传导三重功能一体化；

2.阐明皮肤共生动态水合平衡机制：依靠多级孔道与多羟基吸附位点，动态平衡汗液捕获与蒸发，解决了传统水凝胶脱水失效、闷肤两大痛点；

3.构建超长效稳定可穿戴传感界面：实现30天连续高精度电生理监测（SNR＞25 dB），突破了现有水凝胶电极仅可短期使用的局限；

4.实现超低模量皮肤匹配力学设计：弯曲模量低至10⁻¹⁰ N・m²，完美适配皮肤微观形变，构建出无间隙共生传感界面。

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